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锁住石化咽喉的工业软件

时间:2022-05-13 00:00

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本文摘要:绊马索的功效要说绊马索的功效,可谓世界上性价比最高的工具。无论价值千金的汗血宝马,还是彪悍骑兵,在绊马索眼前,似乎都不堪一击。 简朴小物,可以将庞大气力,放倒在地。这种威力极差池称的悬殊对比,总令人感应惊诧。西方如大卫挑战歌利亚巨人,东方如孙悟空横捣天宫秩序,都在形貌着这种差池称的神话。在中国,对于每年产值高达15万亿的石油化工行业的庞然大物,如果说有忌惮之物,那么流程模拟软件就完全可以成为这样的绊马索。

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绊马索的功效要说绊马索的功效,可谓世界上性价比最高的工具。无论价值千金的汗血宝马,还是彪悍骑兵,在绊马索眼前,似乎都不堪一击。

简朴小物,可以将庞大气力,放倒在地。这种威力极差池称的悬殊对比,总令人感应惊诧。西方如大卫挑战歌利亚巨人,东方如孙悟空横捣天宫秩序,都在形貌着这种差池称的神话。在中国,对于每年产值高达15万亿的石油化工行业的庞然大物,如果说有忌惮之物,那么流程模拟软件就完全可以成为这样的绊马索。

石油化工行业的工厂,随处充满种种化学反映,要搞清楚那些高峻威武的容器内里,到底举行了何种神秘的聚会很是难题。这些反映容器,就是一个个庞大的黑箱子,只有谜面没有谜底。

而化工流程模拟软件是少见的一扇能够洞察神秘的窗户。在这个领域,外洋形成了高度的垄断。石油化工行业涉及到的软件许多,从工程设计、计划调理,到工厂运行、资产治理,笼罩整个价值链条。

在这些软件中,作为应用型软件,如先进历程控制,中国已经取得了一些希望,如中控技术就跟美国Aspentech的DMC3举行对标。但流程模拟软件,情况完全差别。它主要是用于形貌工艺历程的机理,最关键、也最难。

这一方面,美国Aspentech已经形成霸主职位,而且在海内是毫无对手。流程模拟作为一种基础性软件,涉及多门学科。它以工艺历程的机理模型为基础,接纳数学方法来形貌化工历程,举行历程物料衡算、热量衡算等盘算分析。它跟仿真软件CAE有所差别。

仿真软件CAE只能举行工程分析,能发现问题,但不能解决问题,类似医学检查的核磁或动脉造影。而流程模拟软件,则可以举行稳态和动态模拟分析等,一定水平上可以给出解决方案。

它能凭据装置尺寸、原料产物性质、工艺条件等举行模型校准,以便更准确地表征某个单元操作或加工流程,支持后续的分析事情。工艺流程模拟软件,其中Aspen、PRO/II, HYSYS为海内绝大多数设计院所使用。

Aspen适应规模最广,其中电解质、固体等模块是其它软件难以相比的;PRO/II在石化上应用较多;而HYSYS则在炼油工程领域有着较高的精度和准确性。表1 流程模拟主要软件一览表(整理by 南山林雪萍)产学研的优等生Aspen最早源于美国能源部七十年月后期在麻省理工学院(MIT)组织的大会战,旨在开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“历程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering,简称ASPEN),并于1981年完成。

项目到此竣事。值得注意的是,该软件Aspen并没有国家知识产权,因为这是能源部的投资。而凭据美国很早出台的知识产权法《拜杜法案》的划定,国家投资科研项目,所发生的知识产权,可以完全托付给实施方的大学。随后,为了更好的商业化,在1982年,科研项目卖力人就以这样的软件为基础,建立了AspenTech公司,并开发了Aspen Plus的软件,以跟原有软件名称相区分。

作为大型通用流程模拟系统,Aspen Plus是全球各大化工、石化、炼油等历程工业的常用软件。它具有很是完备的物性系统,基于状态方程和活度系数方法的物性模型,例如20多种状态方程模型有15种活度系数模型,有10多种摩尔体积模型等。

这种软件,自己就是无数本深度教科书。化学大典里的每一页纸,在这里都市化作代码。最重要的是,Aspen Plus数据库,包罗了5000多种纯组分的物性数据。

它的物性数据库中,有近2000种化合物的物性数据,是来自美国化工协会AIChE开发的DIPPR物性数据库。Aspen是唯一获准与德国化学协会DECHEMA的数据库接口软件,从而拥有了最完备的气液平衡及液液平衡数据,共计二十五万多套数据。而这种互助,也跨越了国界。

尝百草而成神农,Aspen Plus也是吃百家饭、学百家拳而长成一身本事。更重要的是,它是一个一连并购的狂人。可以说,对于许多工业软件品牌而言,Aspentech就是一个连环杀手。

它一路行走至今,就像是一只贪吃蛇,吃掉了太多的石化行业的工业软件。而最新在物联网时代的举动,则是在2019年收购了德国Mnubo公司。

在石化行业,随处了充满自动化巨头,软件、硬件联合很是显着。强敌环伺之下,Aspentech要在流程模拟行业站住脚,需要拼命扩大软件土地。并购是它最重要的防身之计谋吧。图1 流程行业软件并购图(整理by 南山林雪萍)中国对于Aspen的软件崛起,也功不行没。

2002年前后是它最煎熬的时候,外洋都在谈论它的并购,其时可能的买家包罗西门子、ABB、霍尼韦尔。如果没有中石化、中石油等大量软件采购,Aspen这样的软件其实很难生存。

在它进入中国的早期,更是有大量浙大化工系的学生对软件举行了富厚和性能提升,均导致了在中国流程模拟软件基本都是Aspen的天下。VMG:曲线突破VMGSim软件是一家加拿大公司开发的热力学物性软件包,物性数据库也包罗凌驾5600个纯组分,10万个二元交互作用参数。这些惊人的数字,都不外是验证了这类软件的最大壁垒,其实并不是化学基础理论的突破,也不是软件技术性能的卓越,而是以细致全面专业而胜出。

这些软件的伟大之处,正是建设在一细致解决工业模型的功效之上。本类软件差别于传统软件,其关键之处并不在于软件何等精巧或者功效繁多,而是在于笼罩全面、细致入微、稳定可靠,能够精准对工艺特点举行模拟与预测。开发工业软件需要到场者既对工艺有深入相识与认识,又懂盘算机编程,能够准确掌握相关软件的特点。

因此,开发工业软件的天然壁垒比力高,一方面是对相关人员的综合技术要求比力高,另一方面是对相关工艺技术积累有较高的要求。看上去也是流程模拟软件,可是VMGSim还是避开了AspenTech的正面阵地。VMG先避开Aspen的强项,催化裂化FCC等先不做。

而是先从细分领域、从专有历程做起,好比二氧化碳处置惩罚、脱硫磺历程等。这家公司跟同处在一个都会的卡尔加里大学重油实验室,有着恒久的互助协议,前者甚至在大学里直接租借1层楼,配合研发。

除此之外,该公司每年投入几十万美金扶持大学实验室。这里的重油实验室做全世界油品的特性分析,最擅长化学关系式的表达,表征能力很强。

另外,VMG还笼罩了世界各地的脱硫协会提供的种种实验数据。这种错位竞争,使得VMG异军突起,硬是从AspenTech的野心国界中圈定了自己的土地。

现在海内企业做硫磺接纳,基本都市用VMG,因为环保很重要。VMG早在2004年前就可以盘算硫磺接纳装置,而AspenTech直到2014年通过收购,才算补齐了这个短板。

这样定位清晰的一个流程模拟软件,2018年还是卖给了石油服务巨头美国斯伦贝谢公司,被集成到了一个基于云的数字化协作平台上去。外洋大公司的数字化平台之下,都是有着厚重的工业软件打底。

中国也曾经有时机,到场这样的并购。惋惜,海内一向重视硬件的投入,对软件的重要性认识不足,许多时候并不会把软件看成重要的资产来看待。

图2 斯伦贝谢的勘探数字化平台英国KBC被日本反转美国KBC最早是一家英国技术咨询公司,面向全球油气、炼油和化工领域,既为石油和天然气的上游(勘探和生产),也为下游(炼油)行业提供从市场分析、项目可行性研究,到工厂运行效率优化和企业效益优化等技术咨询的公司。不出意外,这一类技术咨询公司一开始就有着很强的软件意识。

流程模拟软件是技术咨询历程中的必备分析工具,也是用户连续举行优化增效事情的支撑。从八十年月初开发自有工艺装置模拟、炼厂全流程模拟开始,KBC公司不停增强其在流程模拟软件上的投入。1998年KBC收购了一家美国炼油模拟公司,进一步增强其在装置反映机理模型上的领先职位。2001年KBC公司与加拿大的Hysys互助,团结推出基于流程图建模方式的炼厂全流程模拟软件。

基于这个效果,在2004年推出Petro-SIM流程模拟软件,该软件基于炼油化工基本原理,以严格的反映动力学与热力学理论为基础,包罗奇特的烃组分表征技术和炼油装置反映机理模型,形成了基于严格机理的炼油厂全流程模拟软件。这在全球也是第一家。随着全球各个行业的整合,单打独斗的技术咨询公司,都市感受到被并购的压力。

2016年1月12日,AspenTech宣布收购KBC。令人大跌眼镜的是,这笔看上去很合理的买卖,却被野心勃勃的横河电机,横刀夺爱。在第二年,正式推出知识专家系统KBC Co-Pilot计划,正如飞机副驾驶使用分外知识协助正驾驶, KBC Co-Pilot使用专业知识和看法为工厂提供支持。

这些解决方案可以用于炼油装置的远程效能监控。横河电机已经不满足于硬件控制系统的向导职位了,鼎力大举生长软件成为它决意推动工业智能的尖刀战略。

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硬件的影子流程行业的工业软件,跟离散制造行业的机械CAD软件一样,都精准地反映了盘算机硬件的变化。作为最早推出通用化工稳态流程模拟软件的公司,Simsci可以看成是一个硬件与软件技术同步进化的刻度尺。它准确地反映了硬件的变化。

早在1967年,SimSci 公司开发出了世界上第一个炼油蒸馏模拟器。谁人时候,软件是硬件微不足道的隶属。商业性也不显着。

而在六年之后,SimSci又推出了基于流程图的模拟器,图形时代正在盘算机上开始崭露头角。它被用于烃类加工工业的设计,显示了商业上潜在价值。而又过了六年,基于PC 机的流程模拟软件Process正式推出。

这就是PRO/II的前身。又有仿真模拟功效的完善,它成为该领域的行业基准。

可以说,相对于机械制造而言,流程行业无论是在自动化,还是在软件模拟仿真方面,都远远走在了前面。而大放异彩的Hyprotech也正是得益于盘算机的生长。

Hyprotech在1980年,推出了小型机的系统,而在1984年牢牢追随IBM PC的公布,推出PC的版本。1995年微软的Win95公布,对工业软件而言,是一个石破天惊的里程碑。由于微机的高速生长及Windows软件的推出,改变了DOS对微机资源及单任务的限制,使得动态模拟系统在微机上运行成为可能。

Hyprotech抓住了这个时机,率先开发出微机版动态模拟系统HYSYS1.0,一举夺魁,成为石油化工领域划时代的里程碑。这是历史上第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。同样听到了那块激起巨浪的石头的声音,另有来自机械制造领域的CAD软件。在美国,江湖职位基本已经确立了的三维设计软件,走来了新锐的气力。

无论是AutoCAD,还是Solidworks,以及独家建模技术的PTC,都依靠PC机的生长而异军突起。而那些绑定Unix系统、事情站、小型机的老牌CAD软件,如响当当的CV公司等,最后基本都是全军淹没。盘算机硬件的变化,犹如陨石撞击地球,抹掉了许多恐龙,也带来了许多新生的物种。

大学的痕迹工业软件的早期生长都充满了校园的影子,流程行业也不破例。工业软件产值很小,纵然像流程模拟软件,在中国每年也不外十亿人民币的规模。

而Aspen都生长了四十年,才走到了今天,也不外是一年几个亿的规模。这就决议了,它一开始的发生,很难靠市场投入来实现第一桶金。星星之火,往往会来自大学。

Hyprotech公司的首创人之一就是加拿大卡尔加里大学化工系的教授。gPROMS流程模拟软件是PSE公司开发的通用工艺历程模拟系统,可以工艺历程建模、模拟和优化。而PSE公司源自英国帝国大学的团队。

美国的GT-PRO是一类专门举行电厂热平衡类盘算的专业软件。软件产物包罗燃气轮机系列和火力发电系列产物。它可以有效地兼容GE、ABB、Alstom等公司的燃机模型库。这家公司也是脱胎于从美国麻省理工学院,跟AspenTech公司的降生险些是完全重现剧本。

这自然给人一种印象,大学能够成为工业软件最重要的摇篮。固然,它背后的一套转化机制更为关键。中国的流程模拟软件落在了青岛化工学院(现在已经更名为青岛科技大学)的身上。

1987年,就已经开发了可以在微机运行的通用流程模拟软件ECSS( Engineering Chemistry Simulation System)。这个软件接纳其时最常见的序贯模块法,是中国自行开发的第一代流程模拟软件的代表。惋惜的是,跟其它高校所有的软件特点都一样:技术不错,但用户体验很差。

而加拿大Hysys的软件设计,一开始就充满了极简主义,要让工程师易学易懂,在使用历程中能随心所欲地设置。这种软件,一旦在用户落地,就会自动扎根盘踞。

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用户软件替换很是难的。而缺乏用户知识的回馈和打磨,这让ECSS也是举步维艰。甚至都很难说,这是一款商业化软件。三十多年来,这款软件至今犹存,留下了中国流程工业软件的所有回忆。

如何开启未来,还得需要仔细斟酌,选择合适的突破战略。美国政府如何扶持软件从流程行业的工业软件生长,可以清晰地看出美国政府对于工业软件的扶持和羁系思路,可以说是简练明晰、驾轻就熟。

归结为两点:一个是鼎力大举扶持基础研究;二是坚决制止垄断。Aspen软件可以看成是美国工业软件三部曲的完美诠释。第一曲:政府资助,企业协助。Aspen软件,是由美国能源部的500万美元的项目委托开始。

在政府投入的动员下,第一批企业既是金主,也是用户。第二曲:产权转让。项目竣事后,国家绝不迷恋地抽身而退,产权完全留给学校和教授。而教授担负起了企业家的角色,大踏步实现从实验室软件向商业化软件的迈进。

第三曲:社会资金依次跟上。在风险投资的资助下,Aspen软件很快就得以上市。从上市的10美元,到一年后到每股80美元。

上市乐成,极大地拓展了这类工业软件原来狭窄的生存空间。而有钱之后,后续一系列的并购,大大牢固了先行者的山河。

工业软件,既是用钱堆出来的,也是用户用出来的。每一个阶段,都无法脱离经心设计的资金支撑和用户支持。然而,做大做强的工业软件商,如果走到了靠近市场垄断的职位,美国政府也会坚决脱手,制止垄断发生。在2002年以前,市面上的流程模拟软件主要是Aspen、加拿大Hyprotech的Hysys和美国Simsci的ProII。

三国鼎立的局势,开端形成。然而,野心膨胀的Aspentech则尚有所思。只管在静态模拟方面一枝独秀,但在动态模拟方面,却是落伍于加拿大的Hyprotech公司。

而且在其时,随着漫衍式控制系统DCS在流程行业的崛起,一种全新的操作员训练软件OTS(Operator Training System)也广受化工用户青睐。而在90年月,Hyprotech 公司和美国的ABB Simcon 公司一起成为世界上最有名的OTS供应商。两个公司险些朋分了世界上仿真培训业务70%市场份额。

上述两个原因使得Aspen决议吃掉Hyprotech公司。Hysys也因此成为了Aspentech公司旗下的软件。三家酿成两家,三国平衡的局势被打破,Aspen形成事实上的垄断。

这连忙就引起了美国政府的注意。为了防止垄断所造成的创新阻断,美国政府开始举行干预干与。

两年后,美国联邦商业委员会裁定垄断建立, Aspentech不得不将Hyprotech和Hysys的源代码对外出售。此时,镜头切换到了流程行业自动化控制系统的主角之一,霍尼韦尔。

它在DCS控制系统已经占有不行动摇的统治职位,然而对于流程模拟与优化,却是攻门乏术。对于美国的裁决,霍尼韦尔可以说是喜出望外,购置了Hysys的源代码,并在此基础上,开发出全新的一款流程模拟软件:Unisim。这使得它不仅在流程模拟领域,而且在培训软件仿真也收获颇丰。

三国之战的另外一家,Simsci则相对较弱,应该是三国演义中早期蜀国的样子。在2002年前后,Simsci 被英维思收购,后者则在2014年成为施耐德的囊中之物。现在Pro/II已经被整合到施耐德旗下的AVEVA中。依然是三分天下,只是换了一种方式。

而相对平衡的竞争局势依然存在。这也是美国羁系部门想要的效果。小记在中国,工业软件的起步向来都不晚。每一个领域都是如此。

无论是流程模拟软件,还是在盘算机辅助设计软件CAD、盘算机辅助工程软件CAE,以及电子设计自动化软件EDA,中国的大学院所的学者们,险些与美国、法国等同时看到了东方划破黑暗的那道明亮的天际线。在其时,软件也不是什么保密的珍贵物品。

例如,美国加州伯克利分校的许多软件的源代码,无论是CAE,还是EDA,都曾作为学术交流的礼物,赠送给了北大、北航等学校的教授们。而中国还真是推出了许多可以应用的工业软件。上个世纪八十年月,是中国工业软件最好的时光。惋惜,正如中暮年人在回忆优美韶华所经常会说起的那样,“谁人时候,我们不懂恋爱”。

彼时,对于工业软件的价值真的不懂。流程模拟软件,是无数卡住中国制造业喉咙的工业软件之一。群情激昂,随处充满了突破的雄心。

然而工业软件的生长,向来不是五十米冲刺,一时半刻的慷慨投入,并无法保证软件的乐成。而在石化行业,由于涉及到大量的物性参数和履历知识,这是厥后追赶者所需要解决的重大问题。外洋的流程模拟软件,背后有着许多化工协会、工程公司等提供大量的化学参数库。

而广泛且深入的并购,让跨国化工行业的知识在软件编码层面获得了极大的融合。全世界的精英悄无声息地浸润在软件之中。这意味着,单独靠软件开发商,是不行能完成一个完整的软件开发。

没有大学院所,没有石化向导层的决议,没有用户工程师的配合,这种软件没有乐成的可能。正如我们在各个领域所能看到的一样,工业软件的生长,需要用一场马拉松的叙事方式。唯有时间的长镜头,唯有互助的广角度,工业软件这种体量微小的杠杆支点,才气破壁而出。

作者林雪萍:北京联讯动力咨询公司总司理,上海交大客座研究员鸣谢中控技术的褚健老师、原中国石油信息化流程模拟项目卖力人庄芹仙(现中国石油化工研究院特聘专家)等人的鼎力大举支持。更多精彩原创内容,请关注微信民众号“知识自动化”。


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